城市实景三维模型精度评价分析

◎ 谭盛辉，汤明亮

广西地图院，广西 南宁 530023

2018 年以来广西自然资源厅持续开展实景三维地理信息数据生产项目，通过无人机和通航飞机，利用倾斜摄影技术对广西主要城市建成区进行实景三维建模。2021 年自然资源部发布了《实景三维中国建设技术大纲（2021 版）》（以下简称《技术大纲》），指出实景三维中国的建设是落实数字中国、平安中国、数字经济战略的重要举措，是落实国家新型基础设施建设的具体部署，也是服务生态文明建设和经济社会发展的基础支撑。2022 年2 月自然资源部印发《全面推进实景三维中国建设》的通知，阐明了建设实景三维中国的具体内容，并为项目建设指明了方向和划定了步骤。研究小组通过崇左市实景三维模型生产项目的一些几何精度计算以及纹理效果分析，对比《技术大纲》的要求，分析影响实景三维模型精度的因素和其成果在新型基础测绘中的实用性。

1 项目基本情况

1.1 项目主要技术参数

崇左市实景三维数据生产项目是利用无人机搭载5 镜头倾斜相机对崇左市建成区范围约60 km2进行倾斜摄影数据获取、像控点测量、实景三维模型建设和重要建筑物的单体化建模等。坐标系统采用2000 国家大地坐标系，高程采用1985 国家高程基准，其中垂直影像地面分辨率为0.02 m，航飞的重叠度为航向80%，旁向70%，共获取照片约58 万张，布设相控点243 个，检查点70 个。

1.2 项目技术路线

项目建设基于无人机航摄获取的多视影像，创建真实、完整、高精度的实景三维模型。即以倾斜摄影影像为基础，经过空三加密处理后，生成测区整体的实景三维场景模型，在此基础上，通过三维建模软件对场景模型进行修饰，完成三维模型生产。对于近地面受遮挡或航摄影像无法表现出相应等级模型所需细节等情况的，可通过人工补拍获取重点建筑物底层清晰纹理，灵活获取更为详细的建筑信息[1]。总体技术流程如图1 所示。

图1 实景三维数据生产技术流程图

2 实景三维成果数学精度评价

国家对实景三维模型产品没有具体的技术规范和验收的技术方法，由于实景三维模型是一个多维度的产品，所以不能单纯采取像地形图一样计算地物投影到地面同名点的误差来确定其数学精度。该项目倾斜摄影三维模型的分辨率达到0.02 m，对照《技术大纲》中“实景三维建设内容指标表”对城市建成区及其他重点区域分辨率＞ 0.05 m、部件级分辨率＞0.03 m 的指标要求，该项目满足城市级和部件级三维模型的要求。研究小组将检测点设置在地面、楼顶、墙面等位置，采取了对像控点、检查点以及地物点实地采集和模型上量测进行对比的方法，评价实景三维模型的数学精度。

2.1 控制点精度计算

该项目共布设控制点243 个，分布均匀，除城区内陡石山体，控制点覆盖面积约70 km2，平均每平方千米布设3～4 个点，点位设在明显且相对稳定的地物标志上，小部分控制点选取航飞前布置的地面标靶，实景三维模型有效范围约60 km2[2]。

像控点按测量坐标展点在生成的实景三维模型上，在实景三维模型上对像控点标志进行测量，并进行误差计算，得到控制点坐标平面中误差为0.021 m，高程中误差为0.031 m。其中平面最大误差为0.049 m，位于花圃转角；高程最大误差为0.099 m，位于人行道转角。该精度满足大比例尺测图以及高精度模型的控制测量指标要求。

2.2 地物点精度计算

研究小组在控制点精度满足设计要求的基础上，对地物点进行精度检测。检查点为航飞前布置在地面的标志点，地物点选取地面、楼顶房角、墙面标志等多个位置，主要通过RTK和全站仪对布设的地物点进行实地采集与实景三维模型上量测的对应点位进行比较。其中，不同类型的检测点单独进行误差计算，误差计算结果如表1 所示。

表1 检查点、地物点误差统计表

地物点中误差计算结果显示，地物点整体精度处于一个比较高的水平，但是把地物点按三维位置重新分类计算后，研究小组发现楼顶房角点的误差相对较大，墙面标志点精度较地面点有所下降，平面最大误差为0.206 m，高程最大误差为0.240 m，是高层建筑的楼顶房角点的同一点。

2.3 单体化模型精度比较

该项目对重点建筑进行了模型单体化，利用建模软件通过人机交互的方式进行了精细建模。三维模型成果为修饰基础上踏平相应建筑物并与单体化模型融合的实景三维场景模型。此次研究还对比了同一单体化模型和mesh模型的几何精度，单体化模型的几何精度较mesh 模型有一定提高。

2.4 模型数学精度分析

从上述精度检核结果可知，由于控制点参与了空三加密的平差，所以模型上的点位与实地坐标的误差较小。控制点最大高程误差出现在人行道拐角，经检核，该点实测点位为人行道下方，刺点点位为人行道上，重新量测后高程误差为0.021 m。由此可见，个别控制点误差对整个实景三维模型精度影响不大。

检查点和实测的地物点没有参与模型生产的平差计算，其误差更能体现该模型的整体精度水平。对比检查点和地物点的误差值，整体中误差比控制点的误差结果高。检测地物点的最大平面误差和高程误差出现在一栋高层建筑顶楼房角同一点位，误差均超过了0.2 m。观察其他地物点，发现位于地面的标志物无论是平面误差或是高程误差都相对较小，位于建筑物上的检查点误差相对较大，且高程误差在同一区域呈线性变化，即建筑越高，其高程误差相对越大。

单体化模型通过人机交互的方式建成，对mesh 模型中的一些建筑漏洞、残缺和变形部分进行了修正，故单体化模型较mesh 模型的精度有所提升。此次研究还发现模型中高密度植被覆盖区域的地面高程较难获取，如林地、甘蔗地等，研究区以城市为主，计算数学精度时主要选取城市中的主要地物进行计算。

3 实景三维模型纹理精度分析

实景三维模型除了有高精度的位置信息，还具有丰富的轮廓和纹理信息，场景、建筑和真实世界高度一致。高分辨率的实景三维模型能把更多的信息还原到计算机中，供用户使用。纹理的完整性和清晰度直接影响到模型中要素的丰富程度，该项目模型的分辨率达到0.02 m，研究小组对照《技术大纲》中基础地理实体和大比例尺地形图采集规范中的要素要求，分析一些主要地理实体在实景三维模型上的效果。

（1）水系实体。自然河流、湖泊、水库的边线明晰；水坝、水闸等大型构筑物结构完整；涵洞等小型位置明显，走向清晰。各类要素均满足高精度地理信息数据要素采集的要求。大面积水面建模效果较差，mesh 模型水面不完整或为漏洞。

（2）交通实体。从内部道路到高速铁路各等级道路的边线和走向都清晰可见，道路材质也能通过色彩和纹理判别；桥梁结构完整，隧道进出口位置明确，核心要素的各类信息满足采集的需求；部分区域出现道路路面扭曲、不平整的现象。

（3）建筑物及场地设施实体。实景三维模型完整地展现了各类大小型建筑物和场地的结构、范围、材质等信息。模型＞0.5 m 的独立结构呈立体显示并能满足采集的要求。高层建筑容易出现结构缺失，弱纹理结构（玻璃幕墙、大面积纯色构筑物）容易出现漏洞，建筑物隐蔽部分和底部商铺结构不完整。

（4）管线实体。模型中绝大部分区域能比较清晰地展示出电杆、路灯、井盖、消防栓等小体量实体的位置、形状等信息，但是要素类型和用途信息不够显著，如同为圆形的井盖区分不出用途，管线等线状要素建模效果较差，不能表示线路走向等。

（5）地名地址实体。该项目模型分辨率达到2 cm，能清晰看到沿街单位或铺面的招牌，方便各类地名地址数据的采集。但存在遮挡导致航拍不能获取数据的部分会造成数据丢失的情况。

（6）院落实体、行政区划单元、自然地理单元和农用地土质单元等面状实体。在模型上为面积较大的实体，要素边界在模型上可以比较完整准确采集。

4 解决方案

通过对实景三维模型几何精度和纹理效果的分析，研究小组提出了一些在应用过程中碰到的问题。研究小组在测区中选取部分区域通过调整方案重新航飞建模实验，在提高精度和改善建模效果上提出以下几点建议。

（1）合理布设控制点。实景三维模型在建模过程中会匹配大量的同名点，模型结构紧凑，连接强度大。采用具有RTK 等导航系统的无人机航拍仪获取的照片具有高精度的POS 信息，在控制点满足要求的情况下，控制点数量和数学精度不成正比，大量控制点的刺点工作容易导致错刺和误刺，从而影响整个模型的精度。研究小组选取测区中5 km2的数据进行重新加密建模，精度结果如表2 所示，发现每平方千米布设2～3 个控制点较为合适[3]。

表2 控制点数量与几何精度比较表

（2）调整控制点设置。研究小组在对地物点误差分析时发现，贴近地面的地物数学精度优于高层建筑，其原因是观测误差和全站仪大仰角、长距离引起的仪器误差，后经过RTK 复核发现高程误差有所降低，但还是远超地面检查点高程精度。考虑到控制点都设置在地面，模型局部缺少垂直方向的约束。因此，研究小组在误差最大区域中最高的建筑楼顶布设了一个控制点，重新加密建模，发现该区域模型的高程精度明显提升。由此可见，在高层建筑上布设控制点的方式有利于提高整个模型的三维精度。

（3）优化航拍路线方案。按照航飞地区的整体情况设置航飞区块，对于重点区域或高层建筑区需提高航拍的重叠度，保证建筑物顶部的重叠度满足精细建模的要求。一些超高层建筑区，需在原来航飞的基础上，提高航拍的高度再次拍摄，把不同高度航拍的照片一起加密建模，以获得较好的实景三维模型效果，对一些超高层建筑的顶部结构还原较好。实验发现，对一些重点建筑采取环绕飞行航拍的方式进行建模可以得到较好的模型效果。

（4）场景修饰和建筑单体化。加密后计算机生成的mesh 模型中的地形要素、建筑要素、交通要素等地表要素相互联结，以多级不规则三角网的形式按照一定的数据结构进行数据组织。原始模型存在失真、变形、漏洞、纹理拉花等缺陷。许多无用三角网也造成了大量数据冗余，要提高实景三维模型的精度和实用性，需对场景进行修饰以及对重点建筑单体化。

5 结 语

研究小组通过此次研究发现，实景三维模型作为一种计算机技术和摄影测量技术相结合的产品，不但能真实还原现实世界，还具有较高的数学精度和纹理精度。项目成果满足《技术大纲》中城市级实景三维建设内容中数据精度和地理实体的采集要求。对照《GBT 15967—2008 1 ∶500 1 ∶1 000 1 ∶2 000地形图航空摄影测量数字化测图规范》，该模型精度满足1 ∶500 地形图的采集要求。由此可见，从最新的实景三维建设方案到传统的地形图测量，实景三维模型是一种全要素、高精度、可量测的三维数字化产品，作为一种基础地理信息资源，为各行各业的应用提供了一个良好的基础地理框架[4]。研究小组提出的一些影响模型成果精度的因素和解决方案，可为今后实景三维建设项目的开展提供参考。